基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)研究

 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動化和數(shù)字化也勢在必行。大棚種植作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的典型技術(shù)，其應(yīng)用日益普遍。而大棚內(nèi)部的溫濕度對農(nóng)作物的生長密切相關(guān)，因此對大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的監(jiān)控就顯得非常重要。大棚溫濕度監(jiān)測與控制是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代自動化、數(shù)字化的關(guān)注熱點之一?；赯igBee技術(shù)的大棚溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)具有低功耗、低成本、自組網(wǎng)等特點。滿足大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的需求，能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫濕度進行自動監(jiān)測和控制，實現(xiàn)了真正意義上的自動化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)將有廣闊的應(yīng)用前景。

1 大棚溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

大棚溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心PC、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器和控溫控濕執(zhí)行機構(gòu)組成，其總體框圖如圖1所示。其中ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò)，由一個ZigBee協(xié)調(diào)器和若干個ZigBee終端組成;傳感器使用單總線接口的單片全校準數(shù)字式相對濕度和溫度傳感器DHT11，控溫控濕執(zhí)行機構(gòu)包括加熱單元、制冷單元、加濕單元和進出風(fēng)單元等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee終端節(jié)點的硬件設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點由溫濕度傳感器、ZigBee無線通信模塊(CC2530)、加熱器、制冷器、加濕器和進出風(fēng)設(shè)備組成。ZigBee終端節(jié)點主要實現(xiàn)兩個功能。第一個功能是自動采集大棚內(nèi)的節(jié)點溫濕度并將溫濕度轉(zhuǎn)化為ZigBee數(shù)據(jù)包周期性地通過點對點的模式由ZigBee終端節(jié)點點播發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點;第二個功能是根據(jù)ZigBee協(xié)調(diào)器廣播模式發(fā)送來的大棚內(nèi)部給定溫濕度范圍和大棚外部的溫濕度值，對加熱器、制冷器、加濕器和進出風(fēng)設(shè)備進行實時的自動控制和調(diào)節(jié)。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器采用CC2530，此節(jié)點實質(zhì)上充當一個無線收發(fā)器。它不斷地接收從ZigBee終端節(jié)點發(fā)送過來的溫濕度數(shù)據(jù)，然后通過UART串口與監(jiān)控中心PC連接，把接收到的大棚溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心PC。監(jiān)控中心PC實時直觀地將溫濕度隨時間的變化曲線描畫出來;在監(jiān)控中心PC的管理系統(tǒng)上可以設(shè)定大棚內(nèi)部溫濕度值，通過UART串口將給定的溫濕度值發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器通過廣播模式將溫濕度值發(fā)送給每一個在它網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的ZigBee終端節(jié)點;與此同時，ZigBee協(xié)調(diào)器還與一個溫濕度傳感器相連接，周期地采集大棚外部溫濕度數(shù)據(jù)，同樣通過廣播模式將這個數(shù)據(jù)發(fā)送給各個ZigBee終端節(jié)點。監(jiān)控中心PC、ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端信息交互傳輸框圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件的設(shè)計是基于CC2530無線收發(fā)模塊、ZigBee2007/PRO協(xié)議棧以及IAREmbedded Workbench集成的開發(fā)環(huán)境上開發(fā)的。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在3種邏輯設(shè)備類型：Coordinator(協(xié)調(diào)器)、Router(路由器)和End—Device(終端設(shè)備)。每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且僅有一個協(xié)調(diào)器，首先由協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)，再接受終端節(jié)點設(shè)備申請加入網(wǎng)絡(luò)的請求。終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計流程圖分別如圖3和4所示。

3.2 溫濕度控制算法

本系統(tǒng)的控制對象為溫度和濕度。為了達到節(jié)能的效果，系統(tǒng)除了采集大棚內(nèi)部溫濕度外，還對大棚外部的溫濕度進行采集，對比大棚內(nèi)外部的溫濕度后再決定如何綜合控溫度和濕度。當大棚內(nèi)部的溫濕度不符合大棚內(nèi)部植物的生長需要，而大棚外部的溫濕度條件符合時，則通過開啟進風(fēng)/出風(fēng)設(shè)備使大棚內(nèi)部的空氣對流換氣來達到控溫控濕的目的;否則，系統(tǒng)通過產(chǎn)生脈沖調(diào)寬波(PWM)對加熱器、制冷器、加濕器等設(shè)備實現(xiàn)綜合控制，從而對棚內(nèi)溫濕度進行控制和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)采用PID控制算法，將控制信息轉(zhuǎn)化成PWM輸出，改變PWM波的占空比，實時控制加熱加濕的時間。

PID控制器的輸入輸出關(guān)系為：

式中u(t)為控制器的輸出信號，e(t)為溫濕度的偏差信號，Kp為比例系數(shù)，KI為幾分增益，KD為微分增益。

為了使于控制器能對式(1)進行計算控制，便于軟件的實現(xiàn)，須將式(1)中的連續(xù)微分方程轉(zhuǎn)化為離散的差分方程。將式(1)中的積分項離散化，采用累加和的形式，并將微分項離散化，采用一階后項差分?？梢缘玫绞?1)的位置式離散PID表達式：

根據(jù)溫度的控制范圍(20～75℃)，濕度的控制范圍(20%RH～95%RH)，把控制器輸出信號u(t)與輸出PWM范圍(0～99)對應(yīng)。根據(jù)PID參數(shù)整定方法，去調(diào)節(jié)Kp、KI、KD的值，直至獲得溫濕度最好的控制效果。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整參數(shù)并試驗運行，觀察控制效果，最終確定溫度控制器PID控制算法系數(shù)Kp1、KI1、KD1的值為4.02、2.8和1.23，濕度控制器PID算法系數(shù)Kp2、KI2、KD2的值為5.94、5.96和1.48。算法中還加入一個系統(tǒng)溫濕度超調(diào)機制，為了預(yù)防在某種特殊的季節(jié)和光照度下，造成控溫控濕設(shè)備無法在能夠接受的時間內(nèi)達到控溫控濕要求或者溫濕度曲線嚴重超調(diào)時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，提醒管理者及時處理。此外，為了盡量消除加熱、加濕等會造成大棚內(nèi)部溫濕度場的不均勻，還須在在大棚內(nèi)部加一個氣體循環(huán)風(fēng)機。在控溫控濕的過程中同時開啟氣體循環(huán)風(fēng)機，使流動的空氣帶動溫濕度場讓大棚內(nèi)部形成一個趨向于均勻的溫濕度場。

3.3 監(jiān)控PC管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)控PC管理系統(tǒng)采用Visual C++6.0作為開發(fā)工具。Visual C++6.0提供了實現(xiàn)串口通信的許多方法，其中Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的Activre控件MSComm控件為應(yīng)用程序提供了通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。監(jiān)控PC管理系統(tǒng)采用圖形化的操作方式，用戶可以根據(jù)溫濕度曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢和超限報警等及時了解監(jiān)控大棚內(nèi)部的溫濕度，并且能夠?qū)崟r改變大棚內(nèi)溫濕度的設(shè)定值。

4 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析

為了驗證基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，搭建了模擬大棚實驗系統(tǒng)。模擬大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控PC機、系統(tǒng)協(xié)調(diào)器、兩個ZigBee終端節(jié)點、以及加濕器、加熱器、制冷器和進出風(fēng)設(shè)備等執(zhí)行機構(gòu)組成。在模擬大棚里布置了兩個單總線溫濕度傳感器節(jié)點(DHT11)，對大棚內(nèi)部的溫濕度進行實時檢測;兩個ZigBee終端節(jié)點根據(jù)實時檢測的溫濕度值以及系統(tǒng)給定的溫濕度值獨立控制各自的執(zhí)行機構(gòu)對棚內(nèi)溫濕度進行調(diào)節(jié)?；赯igBee技術(shù)的模擬大棚內(nèi)傳感器和執(zhí)行機構(gòu)位置如圖5所示。

4.1 系統(tǒng)測試

在搭建模擬大棚實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進行了各種測試：包括1)監(jiān)控PC通信管理、數(shù)據(jù)管理和越限報警測試;2)各節(jié)點單獨工作，測試系統(tǒng)溫濕度階躍響應(yīng);3)各節(jié)點同時工作，對溫濕度進行PID協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)以驗證整個系統(tǒng)的調(diào)控效果;4)監(jiān)控系統(tǒng)的抗擾動測試。

4.2 測試數(shù)據(jù)與分析

圖6(a)、圖6(b)為當各節(jié)點單獨工作時，在室溫下施加一個階躍給定，大棚內(nèi)部的溫濕度響應(yīng)曲線。關(guān)閉制冷器、加濕器和進風(fēng)排風(fēng)風(fēng)扇，讓加熱管單獨工作，ZigBee終端節(jié)點對大棚內(nèi)部的溫濕度進行實時采集，在監(jiān)控PC管理系統(tǒng)上實時地顯示溫濕度數(shù)據(jù)，并且自動繪制溫濕度歷史曲線。經(jīng)過一段時間后，溫度由室溫穩(wěn)定在60℃左右。升溫響應(yīng)曲線如圖6(a)所示。關(guān)閉加熱管、制冷器和進風(fēng)排風(fēng)風(fēng)扇，單獨開啟加濕器，經(jīng)過一段時間后，大棚內(nèi)濕度達到飽和。加濕響應(yīng)曲線如圖6(b)所示。

測試了監(jiān)控PC管理系統(tǒng)、ZigBee無線通信和控溫控濕設(shè)備的工作狀態(tài)之后，為了檢驗整個系統(tǒng)PID控制算法的控溫控濕效果，需要對溫濕度同時進行PID控制和調(diào)節(jié)。把給定溫度和濕度分別設(shè)定為32℃和62.5%RH，對加熱控制器和加濕控制器分別進行PID算法控制，控制過程響應(yīng)如圖7所示。從圖中可以看出，溫濕度響應(yīng)曲線都有一定超調(diào)產(chǎn)生，但能較快達到設(shè)定值，并且可以消除系統(tǒng)靜差，獲得較好的控制效果。

大棚內(nèi)部的溫濕度會隨著大棚外部氣候變化而改變。一年春夏秋冬的氣候變化，和一天24小時外部環(huán)境都會對大棚內(nèi)部的溫濕度造成一定影響。例如一場突降的大雨有可能會導(dǎo)致大棚內(nèi)部濕度的驟然上升和溫度的驟然下降。為了驗證本監(jiān)控系統(tǒng)PID控制算法能否克服這樣的溫濕度擾動，達到較理想的控制狀態(tài)，測試中人為給大棚內(nèi)部一個突然的溫濕度擾動。系統(tǒng)溫濕度控制調(diào)節(jié)抗擾動響應(yīng)曲線如圖8所示。從大棚溫濕度抗擾動響應(yīng)曲線圖可知，不論突然的升溫還是降溫擾動施加于系統(tǒng)，在監(jiān)控系統(tǒng)PID控制作用下，經(jīng)過一小段時間后，棚內(nèi)溫度和濕度都能夠逐漸恢復(fù)到期望的穩(wěn)定狀態(tài)，收到了較好的控制效果。

即使已經(jīng)均勻地布置傳感器節(jié)點和加濕加熱設(shè)備的位置，局部加熱、加濕也會造成大棚內(nèi)部溫濕度場的不均勻，所以在圖7～圖8中可以看出，不同節(jié)點的溫濕度曲線并沒有完全重疊，但溫濕度的變化趨勢是一致的。本監(jiān)控系統(tǒng)PID控制算法也能夠達到良好的溫控濕控效果。

5 結(jié)論

基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控PC管理系統(tǒng)、ZigBee CC2530無線通信模塊、協(xié)調(diào)器、以及加熱、制冷、通風(fēng)等執(zhí)行機構(gòu)組成，采用Visual C++6.0作為開發(fā)平臺，設(shè)計和實現(xiàn)了上位機PC與下位機CC2530的串口通信、溫濕度實時采集及數(shù)據(jù)存儲、歷史曲線繪制、以及大棚內(nèi)溫濕度PID自動控制調(diào)節(jié)，包括對大棚內(nèi)環(huán)境的升溫、降溫、加濕、除濕及換氣的多功能綜合控制。實驗表明，基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)，采用PID控制算法可以較快地達到控溫控濕效果，抗溫濕度擾動性強，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單可行，造價成本低，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。